一 NR 总体架构与功能划分
 

1.1 总体架构
　　

　　NG-RAN 节点包含两种类型：

　　l  gNB：提供 NR 用户平面和控制平面协议和功能

　　l  ng-eNB：提供 E-UTRA 用户平面和控制平面协议和功能

 

　　gNB 与 ng-eNB 之间通过 Xn 接口连接，gNB/ng-eNB 通过 NG-C 接口与 AMF（Access and Mobility Management Function）连接，通过 NG-U 接口与 UPF（User Plane Function）连接。

　　5G 总体架构如下图所示，NG-RAN 表示无线接入网，5GC 表示核心网。

 

 

 

 

1.2 功能划分
　　5G 网络的功能划分如下图所示。NG-RAN 包含 gNB 或 ng-eNB 节点，5G-C 一共包含三个功能模块：AMF，UPF 和 SMF（Session Management Function）。

 

1.2.1gNB/ng-eNB
　　l  小区间无限资源管理 Inter Cell Radio Resource Management（RRM）

　　l  无线承载控制 Radio Bear（RB）Control

　　l  连接移动性控制 Connection Mobility Control

　　l  测量配置与规定 Measurement Configuration and Provision

　　l  动态资源分配 Dynamic Resource Allocation

 

1.2.2AMF
　　l  NAS 安全 Non-Access Stratum（NAS） Security

　　l  空闲模式下移动性管理 Idle State Mobility Handling

 

1.2.3UPF
　　l  移动性锚点管理 Mobility Anchoring

　　l  PDU 处理（与 Internet 连接）PDU Handling

 

1.2.4SMF

　　l  用户 IP 地址分配 UE IP Address Allocation

　　l  PDU Session 控制

 

 

 

1.3 网络接口
 

1.3.1NG 接口
 

　　NG-U 接口用于连接 NG-RAN 与 UPF，其协议栈如下图所示。协议栈底层采用 UDP、IP 协议，提供非保证的数据交付。

 

 

 

　　NG-C 接口用于连接 NG-RAN 与 AMF，其协议栈如下图所示。在传输中，IP 协议为信令提供点对点传输服务。SCTP 保证信令的可靠交付。NG-C 接口有以下功能：

 

　　l  NG 接口管理

　　l  UE 上下文管理

　　l  UE 移动性管理

　　l  NAS 信令传输

　　l  寻呼

　　l  PDU Session 管理

　　l  更换配置

　　l  警告信息传输

 

 

1.3.2Xn 接口
　　Xn-U 接口用于连接两个 NG-RAN 节点。Xn-U 接口协议栈如下图所示。GTP-U 基于 UDP、IP 网络之上，为数据提供非保证服务。Xn-U 主要包含两个功能：

　　l  数据转发

　　l  流控制

 

 

　　Xn-C 接口用于连接两个 NG-RAN 节点。IP 协议为信令提供点对点传输，SCTP 为信令提供可靠交付。Xn-C 接口主要包含以下功能：

 

　　l  Xn 接口管理

　　l  UE 移动性管理，包括上下文传输和寻呼等

　　l  双链接

 

 

1.4 无线协议栈
 

　　NR 无线协议栈分为两个平面：用户面和控制面。用户面 (User Plane, UP）协议栈即用户数据传输采用的协议簇，控制面(Control Plane, CP) 协议栈即系统的控制信令传输采用的协议簇。

　　NR 用户面和控制面协议栈稍有不同，下面详细介绍。

 

1.4.1 用户面
　　NR 用户平面相比 LTE 协议栈多了一层 SDAP 层，用户面协议从上到下依次是：

　　l  SDAP 层：Service Data Adaptation Protocol

　　l  PDCP 层：Packet Data Convergence Protocol

　　l  RLC 层：Radio Link Control

　　l  MAC 层：Medium Access Control

　　l  PHY 层：Physical

 

 

1.4.2 控制面
　　NR 控制面协议几乎与 LTE 协议栈一模一样，从上到下依次为：

　　l  NAS 层：Non-Access Stratum

　　l  RRC 层：Radio Resource Control

　　l  PDCP 层：Packet Data Convergence Protocol

　　l  RLC 层：Radio Link Con trol

　　l  MAC 层：Medium Access Control

　　l  PHY 层：Physical

 

　　UE 所有的协议栈都位于 UE 内；而在网络侧，NAS 层不位于基站 gNB 上，而是在核心网的 AMF （Access and Mobility Management Function）实体上。还有一点需要强调的是，控制面协议栈不包含 SDAP 层。

 

 

 

 

二 物理层
 

2.1 波形、子载波 &CP 配置和帧结构
 

　　NR 系统下行传输采用带循环前缀的（CP）的 OFDM 波形；上行传输可以采用基于 DFT 预编码的带 CP 的 OFDM 波形，也可以与下行传输一样，采用带 CP 的 OFDM 波形。

　　NR 与 LTE 系统都基于 OFDM 传输。两者主要有两点不同：

　　1.      LTE 只支持一种子载波间隔 15KHz，而 NR 目前支持 5 种子载波间隔配置；

　　2.      LTE 上行采用基于 DFT 预编码的 CP-Based OFDM，而 NR 上行可以采用基于 DFT 预编码的 CP-Based OFDM，也可以采用不带 DFT 的 CP-Based OFDM。

 

　　NR 支持的载波间隔、CP 类型、对数据信道的支持如下表所示。NR 一共支持 5 种子载波间隔配置：15KHz、30KHz、60KHz、120KHz 和 240KHz。一共有两种 CP 类型，Normal 和 Extended（扩展型）。扩展型 CP 只能用在子载波间隔为 60KHz 的配置下。其中，子载波间隔为 15KHz、30KHz、60KHz 和 120KHz 可用于数据传输信道；而 15KHz、30KHz、120KHz 和 240KHz 子载波间隔可以用于同步信道。

　　NR 中连续的 12 个子载波称为物理资源块（PRB），在一个载波中最大支持 275 个 PRB，即 275*12=3300 个子载波。

 

 

 

　　上下行中一个帧的时长固定为 10ms，每个帧包含 10 个子帧，即每个子帧固定为 1ms。同时，每个帧分为两个半帧（5ms）。每个子帧包含若干个时隙，每个时隙固定包含 14 个 OFDM 符号（如果是扩展 CP，则对应 12 个 OFDM 符号）。因为每个子帧固定为 1ms，所以对应不同子载波间隔配置，每个子帧包含的时隙数是不同的。具体的个数关系如下表所示。[下表相比之前表格多了一个 u=5 项，但在 Rel-15 中并不使用此选项]

 

 

 

　　NR 的传输单位（TTI）为 1 个时隙。如上所述，对于常规 CP，1 个时隙对应 14 个 OFDM 符号；对于扩展 CP，1 个时隙包含 12 个 OFDM 符号。

　　由于子载波间隔越大，对应时域 OFDM 符号越短，则 1 个时隙的时长也就越短。所以子载波间隔越大，TTI 越短，空口传输时延越低，当然对系统的要求也就越高。

 

2.2 带宽频点
 

　　在 NR 中，3GPP 主要指定了两个频点范围。一个是我们通常称为 Sub 6GHz，另一个是我们通常称为毫米波（Millimeter Wave）。Sub 6GHz 称为 FR1，毫米波称为 FR2。FR1 和 FR2 具体的频率范围如下表所示：

 

　　对于不同的频点范围，系统的带宽和子载波间隔都所有不同。在 Sub 6GHz，系统最大的带宽为 100MHz 而在毫米波中最大的带宽为 400MHz。子载波间隔 15KHz 和 30KHz 只能用在 Sub 6GHz，而 120KHz 子载波间隔只能用在毫米波中，60KHz 子载波间隔可以同时在 Sub 6GHz 和毫米波中使用

 

2.3 物理层下行链路
 

2.3.1PDSCH
 

　　PDSCH 处理流程

　　1.      传输块 CRC 添加（如果传输块长度大于 3824，则添加 24bit CRC；否则添加 16bit CRC）

　　2.      传输块分段，各段添加 CRC（24bit）

　　3.      信道编码：LDPC 编码

　　4.      物理层 HARQ 处理，速率匹配

　　5.      比特交织

　　6.      调制：QPSK, 16QAM, 64QAM 和 256QAM

　　7.      映射到分配的资源和天线端口

　　PDSCH 处理模型如下图所示：

 

 

　　PDSCH 采用 LDPC 编码，LDPC 编码时需要选择相应的 Graph：Graph 1 或 Graph 2。Graph 的不同，简单理解就是编码时采用的矩阵不一样。Graph 的选择规则如下（A 为码块长度，R 为码率）：

 

　　1.      如果 A<=292；或者 A<=3824  并且 R<=0.67 ；或者 R<=0.25，选择 Graph 2

　　2.      其他情况选择 Graph 1.

 

2.3.2PDCCH
 

　　用户专用物理下行控制信道（Physical Downlink Control Channel，PDCCH）用于调度下行的 PDSCH 传输和上行的 PUSCH 传输。PDCCH 上传输的信息称为 DCI（Downlink Control Information），包含 Format 0_0，Format 0_1，Format 1_0，Format 1_1，Format 2_0，Format 2_1，Format 2_2 和 Format 2_3 共 8 中 DCI 格式。

　　1.       Format0_0 用于同一个小区内 PUSCH 调度

　　2.       Format0_1 用于同一个小区内 PUSCH 调度

　　3.       Format1_0 用于同一个小区内 PDSCH 调度

　　4.       Format1_1 用于同一个小区内 PDSCH 调度

　　5.       Format2_0 用于指示 Slot 格式

　　6.       Format2_1 用于指示 UE 那些它认为没有数据的 PRB(s) and OFDM 符号（防止 UE 忽略）

　　7.       Format2_2 用于传输 TPC（Transmission Power Control）指令给 PUCCH 和 PUSCH

　　8.       Format2_3 用于传输给 SRS 信号的 TPC，同时可以携带 SRS 请求

　　各种 DCI 格式之间的差异及使用场景之后再详细讨论。

　　PDCCH 信道采用 Polar 码信道编码方式，调制方式为 QPSK。

 

2.3.3PSS/SSS/PBCH
　　NR 包含两种同步信号：主同步信号（Primary Synchronization Signal，PSS）和辅同步信号（Secondary Synchronization Signal, SSS）。PSS 和 SSS 信号各自占用 127 个子载波。PBCH 信号横跨 3 个 OFDM 符号和 240 个子载波，其中有一个 OFDM 符号中间 127 个子载波被 SSS 信号占用。

　　NR 系统中一共定义了 1008 个小区 ID： 。即 336 个小区组 ID，每个小区组由 3 个组内小区组成。

　　PSS 信号产生时需要利用小区组内 ID，产生公式如下图所示：

 

　　SSS 信号产生时需要小区组 ID 和小区组内 ID，产生公式如下图所示：

 

　　PSS/SSS/PBCH 在时频资源格上的位置关系如下图所示：

 

 

 

　　PBCH 信道编码方式为 Polar 编码，调制方式为 QPSK。PBCH 物理层处理模型如下图所示：

 

 

2.4 物理层上行链路
 

2.4.1 传输方案
 

　　NR 上行包含两种传输方案：基于码本的传输和非码本传输。

　　基于码本的传输：gNB 在 DCI 携带一个预编码矩阵指示 PMI（Precoding Matrix Indicator）。UE 使用 PMI 指示的矩阵对 PUSCH 进行预编码。对于非码本传输，UE 根据 DCI 中的 SRI 确定对应的预编码矩阵。

 

2.4.2PUSCH
　　PUSCH 的处理流程如下图所示：

　　传输块添加 CRC（TBS 大于 3824 时添加 24bit CRC；否则添加 16bit CRC）

　　1.       码块分段及各段 CRC 添加

　　2.       信道编码：LDPC 编码

　　3.       比特级交织

　　4.       调制方式：Pi/2 BPSK（仅当进行 Transform Precoding 时可采用）, QPSK, 16QAM, 64QAM 和 256QAM

　　5.       层映射，Transform Precoding（需上层配置确定是否进行），预编码

　　6.       映射到相应的资源和天线端口

 

　　PUSCH 处理模型如下图所示：

 

  　　PUSCH 采用 LDPC 编码，LDPC 编码时需要选择相应的 Graph：Graph 1 或 Graph 2。Graph 的不同，简单理解就是编码时采用的矩阵不一样。Graph 的选择规则如下（A 为码块长度，R 为码率）：

　　1.      如果 A<=292；或者 A<=3824  并且 R<=0.67 ；或者 R<=0.25，选择 Graph 2

　　２.    其他情况选择 Graph 1.

 

2.4.3PUCCH
　　PUCCH 携带上行控制信息（Uplink Control Link，UCI）从 UE 发送给 gNB。根据 PUCCH 的持续时间和 UCI 的大小，一共有 5 种格式的 PUCCH 格式：

　　1.       格式 1：1-2 个 OFDM，携带最多 2bit 信息，复用在同一个 PRB 上

　　2.       格式 2：1-2 个 OFDM，携带超过 3bit 信息，复用在同一个 PRB 上

　　3.       格式 3：4-14 个 OFDM，携带最多 2bit 信息，复用在同一个 PRB 上

　　4.       格式 4：4-14 个 OFDM，携带中等大小信息，可能复用在同一个 PRB 上

　　5.       格式 5：4-14 个 OFDM，携带大量信息，无法复用在同一个 PRB 上

　　不同格式的 PUCCH 携带不同的信息，对应的底层处理也有所差异，此处不展开介绍。

 

　　UCI 携带的信息如下：

　　1.      CSI（Channel State Information）

　　2.      ACK/NACK

　　3.      调度请求（Scheduling Request）

 

　　PUCCH 大部分情况下都采用 QPSK 调制方式，当 PUCCH 占用 4-14 个 OFDM 且只包含 1bit 信息时，采用 BPSK 调制方式。PUCCH 的编码方式也比较丰富，当只携带 1bit 信息时，采用 Repetition code（重复码）；当携带 2bit 信息时，采用 Simplex code；当携带信息为 3-11bit 时，采用 Reed Muller code；当携带信息大于 11bit 时，采用的便是著名的 Polar 编码方式。

 

2.4.4 随机接入
　　NR 支持两种长度的随机接入（Random Access ）前缀。长前缀长度为 839，可以运用在 1.25KHz 和 5KHz 子载波间隔上；短前缀长度为 139，可以运用在 15KHz，30KHz，60KHz 和 120KHz 子载波间隔上。

 

 

2.5 传输信道
　　传输信道描述“信息该怎么传输”这个特性，下面我们会提到逻辑信道描述的则是“传输的是什么信息”。每个传输信道规定了信息的传输特性。

 

下行传输信道包括：

　　1.　广播信道（Broadcast Channel, BCH）

　　　固定的，预先定义好的传输格式

　　　在整个小区中广播

　　2. 　下行共享信道（Downlink Shared Channel，DL-SCH）

　　　支持 HARQ

　　　支持链路动态自适应，包括调整编码、调制方式和功率等

　　　支持在整个小区中广播

　　　可以使用波束赋形

　　　UE 支持非连续性接收（为了节能）

　　3.　寻呼信道（Paging Channel）

　　　UE 支持非连续性接收（为了节能）

　　　需要在整个小区中广播

　　　映射到物理资源上（可能会动态地被其他业务和控制信道占用）

 

上行传输信道包括：

　　1. 　上行共享信道（Uplink Shared Channel，UL-SCH）

　　　可以使用波束赋形

　　　支持链路动态自适应，包括调整编码、调制方式和功率等

　　　支持 HARQ

　　　支持动态和半动态资源分配

　　2. 　随机接入信道（Random Access Channel，RACH）

　　　仅限传输控制信息

　　　有碰撞的风险